Manyetizma Türleri

Manyetik dipol momentleri, atomlardaki elektronların yörüngesel momentlerinde veya spin momentlerinde olduğu gibi katıların içinde her an mevcut olabilirler. İlk durum için paramanyetizma, ikinci durum için diyamanyetizmadan söz edebiliriz.

Paramanyetizma için alanın görevi sadece farklı yerleşmiş olan manyetik momentleri, alanın yönüne çevirmektir. Bu yüzden burada pozitiftir (µ> 1 ) Deneysel yönden paramanyetizma ve diyamanyetizma arasındaki fark alınganlığın işareti farkında yatmaktadır. Ayrıca sıcaklığa bağlılığı farkı vardır. Paramanyetizma alan kararlılık olan termal hareketlere karşı işleyeceğinden burada sıcaklığa daha kuvvetli bağımlılık görülür, diyamanyetizma ise sıcaklıkla yapılacak işi yoktur. Her iki halde de alan şiddetine bağımlı değildir. Ferromanyetizma, paramanyetizmanın (bütün elektronların manyetik momentlerinin paralelliğinden doğan) aşırı halinin uzatılmasıdır. Bu durumda katı olan sadece dış alan olmayıp manyetik dipollerden ileri gelen iç alanda da olabilir. Burada ferromanyetiklerin alınganlıkların pozitif, paramanyetik alınganlıklardan defalarca küçük olduğunu söyleyebiliriz.

Ferromanyetik alınganlık alan şiddetine bağlı M ve H arasında çok iyi bilinen histerezis olayı görülür. Şayet termal hareketler çok büyük değilse, manyetik momentlerin tamamının sıralanması mümkündür. Bu yüzden ferromanyetizma belli bir sıcaklığın altında görülür. Belli bir noktanın üstünde ferromanyetikler, paramanyetiktir. Sadece oda sıcaklığında Fe, Ni, Co ferromanyetiktir.

20 2.7.2.1. Diyamanyetizma

Atomları sürekli manyetik dipol momente sahip olmayan maddelere diyamanyetik denir. Manyetik alan uygulamasıyla elektriksel değişmeden oluşur.

Elektromanyetizma Lenz kanununa göre bir elektrik devresinde akım değiştirildiğinde bu değişmeye karşı koyacak şekilde yeni bir akım oluşur. Bu akımın oluşturduğu manyetik alan uygulanan alana zıt yönde olup alınganlığı 10^-5 mertebesindedir. Bu tip manyetizma diğer tip manyetizmaların tamamen yer almadığı Bi, Cu, Ag ve Au gibi malzemelerde görülür. Her çeşit madde de diyamanyetizma etkisi olmakla birlikte paramanyetizma veya ferromanyetizmaya göre zayıftır [42].

İki elektronunun manyetik momentlerinin büyüklükleri eşit fakat yönleri zıt olduğundan birbirlerini yok ederler ve atomun dipol momenti sıfır olur. Elektronların manyetik momentleri birbirlerini yok etmezler ve madde manyetik alana zıt yönde net bir dipol moment edinir.

Süperiletkenler kritik sıcaklıkların altında özdirenci sıfıra yakın olan maddelerdir. Süperiletkenlerin mükemmel diyamanyetik özellik gösterdiklerini biliyoruz. Sonuçta süper iletken içindeki manyetik alanı sıfır olacak şekilde uygulanan alanı dışlar. Bu olaya Meissner olayı denir.

2.7.2.2. Paramanyetizma

Paramanyetizma maddeleri pozitif fakat küçük manyetik duygunluğa sahiptir.

sürekli manyetik dipol momenti olan atomların varlığından kaynaklanır. Bu dipoller çok zayıf etkileşimde bulunur. Atomların manyetik

21

momentleri termal hareketlilikten dolayı, statik olarak dağılmışlardır. Bu durumda atomlar ancak çizgisel şekilde sıralandıklarında bir manyetik etki gösterebilir [42].

Paramanyetik duyarlılık sıcaklığa bağlıdır. Çok düşük sıcaklıklarda manyetik alan uygulaması sonucu çok kolay manyetik alan doğrultusunda dizilirler. Sonuç olarak duyarlılık (alınganlık)

(2.6) dir.

Kendiliğinden oluşan manyetizma mevcut ise;

- (2.7) Curie-Weiss kanunu olarak bilinir.

Ferromanyetik bir maddenin kendiliğinden Curie sıcaklığı denen bir kritik sıcaklığa geçtiği zaman maddenin kendiliğinden mıknatıslanmasını kaybettiğini ve paramanyetik duruma geçtiğini görürüz. (Şekil 2.4.) Curie sıcaklığı altında, manyetik momentler paralel olarak dizildikleri için madde ferromanyetiktir.

Curie sıcaklığının üstünde ısısal enerji, dipollerinin gelişigüzel yönelmelerine neden olacak kadar yüksektir, bu yüzden madde paramanyetik olur.

22 2.7.2.3. Ferromanyetizma

En çok bilinen ferromanyetik malzemeler Fe, Ni, Co gibi geçiş elementleridir.

Bunların hepsi ferromanyetik olup bazı kritik sıcaklıklar altında düzenlendiklerinde negatif momente sahiptir. Fe'in 3d yörüngesinde çiftlenmiş ve birbirine spine sahip 4 vardır. Bu demirin magnetik momentinin 4 magnetona eşit olduğu anlamına gelir.

Ferromanyetik malzemelerin manyetik özellikleri Curie sıcaklığı olarak bilinen kritik bir sıcaklıktan sonra bozulur ve malzeme paramanyetik olur. Ferromanyetik maddeler sürekli mıknatısların yapımında kullanılır. Bu tür maddeler, zayıf bir dış manyetik alan içinde bile birbirine paralel olarak yönelmeye çalışan atomik manyetik dipol momentlere sahiptirler. Bir kere momentler paralel hale getirildikten sonra, dış alan atomdan kaldırılsa bile madde mıknatıslanmış olarak kalacaktır. Bu sürekli yönelim, komşu olan manyetik momentler arasındaki kuvvetli bir etkileşimden kaynaklanır. Domain, bir manyetik malzemenin farklı yönlerde manyetize olmuş bölgelerdir. Her domain bir mıknatıs olup 10^-12 – 10^-8 m³ olup 10¹⁷ - 10²¹ civarında atom içermektedir. Farklı yönelimlere sahip olan bölgelerin arasındaki sınırlara bölge duvarları denir. Bir manyetik malzemenin kutuplaşmış iki bölgesini birbirinden ayıran iki yüzeye domain sınırı denir.

Şekil 2.4. Ferromanyetik bir maddenin mıknatıslanmasının sıcaklıkla değişimi

23

Şekil 2.5. Domain sınırları

Domain sınırlarının hareketi malzemelerin manyetik özelliklerini saptamada rol oynar. Domain sınırları manyetik alan içerisinde hareket etme kabiliyetine sahiptir.

Domainler, sınırların hareketinden sonra uygulanan manyetik alan çizgisine paralel olarak dizilirler. Bunun sonucunda da domain büyümesi söz konusudur. Domain büyümesi indüksiyon hızı ile artar.

Domainler hareketi birçok faktöre etki eder. Bunlar atom boşlukları ve dislokasyonlardır. Bunlar manyetik malzemelerin domain sınırlarının hareketliliğini engellediklerinden malzemenin manyetik özelliği bakımından sert olmasına neden olur. Şimdi çekirdeği mıknatıslanmış demirden oluşan toroid şeklinde bir kangal düşünelim. Sarımlardaki akım sıfırdan bir I değerine artırılırsa, H=nI ifadesine göre alan şiddeti H, I akımı ile lineer olarak artar. Ayrıca şekilde gösterildiği gibi B toplam alanı da akım arttıkça artar. O noktasında manyetik bölgeler rasgele yönelmişlerdir. Bu da B=0 'a karşılık gelir. Dış alan arttıkça bölgeler alanla daha çok paralel hale gelirler ve sonunda a noktasında hemen hemen hepsi paralel duruma geçerler. Bu durumda demir çekirdek doyuma yaklaşmaktadır. Doyum koşulu, tüm bölgelerin aynı yöne yöneldikleri duruma karşılık gelir. Akımın sıfıra düşürüldüğü ve dış alanın ortamdan kaldırıldığını düşünelim. Mıknatıslanma eğrisi a b yolunu izler, b noktasında dış alan Bo=0 olduğu halde, B alanı sıfır olmaz. Bu durum çok sayıda bölgenin paralel hale gelmelerinden dolayıdır. B=Bm noktasında kalıcı bir

24

mıknatıslanmaya sahiptirler. Akım sıfır değerine ulaştıktan sonra yönü değiştirilerek dış alanın yönü değiştirilip şiddeti artırılırsa, numune c noktasında tekrar mıknatıslanmış duruma gelinceye kadar bölgeler yön değiştirirler. Burada B=0 olur.

Ters yöndeki akımdaki artış demirin ters yönde mıknatıslanmasına neden olur ve d noktasında doyuma ulaşır. Akım tekrar sıfıra düşürülüp ve sonra başlangıçtaki olaylar zinciri oluşur mıknatıslanma eğrisi def yolunu izler. Akım yeterince artırılırsa mıknatıslanma eğrisi a noktasına geri döner. Burada numune maksimum mıknatıslanma değerine kavuşur. Bu olaya histerezis olayı denir. Bu maddenin mıknatıslanmasının alanın şiddetine bağlı olduğu kadar maddenin geçmişteki durumuna da bağlı olduğunu gösterir. Çoğu kez ferromanyetik malzemenin belleğe sahip olduğu söylenir. Çünkü dış alan ortadan kaldırıldıktan sonra bile madde mıknatıslanmış olarak kalır. Histerezis ilmeğin şekli ve büyüklüğü ferromanyetik maddenin özelliklerine ve uygulanan maksimum alanın şiddetine bağlı olarak değişir [42].

Sert ferromanyetiklerin histerizis ilmekleri geniştir. Kalıcı mıknatıslanmaları var demektir. Yumuşak ferromanyetikler demir gibi histerizis ilmekler dardır.

Ferromanyetik bir malzemeyi uygulanan alanı yavaş yavaş azaltarak peşpeşe histerizis ilmeklerden geçirmek suretiyle mıknatıslık kaldırılabilir.

25

Şekil 2.6. Histerizis eğrisi